在今天廣為普及最精密複雜的信號處理機器中，醫療用超音波系統已經位居其中的重要地位。雖然與雷達或是聲納類似，但是它們在RF（射頻）速度下運作時會比雷達慢，比聲納快，而且其差距是以數量級表示。從早期在開發以手推式裝置為基礎的超音波系統時，醫療工業就已經採用此即時技術來做為健康問題的早期偵測以及一般的診斷程序。隨著時間的演進，超音波系統也變成了可攜式裝置，甚至發展成如同手掌大小般的極精巧裝置。在不久後的將來，超音波系統將會變成特殊的個人化數位助理（PDA），儘管不會像是醫生的聽診器一般的常見。本文將討論一些關於精巧尺寸的必要元素。

超音波系統的架構

在超音波系統中最常用來獲取影像的方法就是數位波束成型（digital beamforming；DBF）。應用於醫療用超音波的波束成型，其定義為：將產生自共同源極，但是在不同的時間利用多元件超音波換能器予以接收的信號進行相位校準以及加總。波束成型以16至32個（或是更多）接收器通道的陣列相移並且予以加總，藉此取得一致的訊息，其具有兩種功能：直接傳送給換能器來加強其增益，並且在內部以接收到回波的位置定義為一個焦點（focal point）。在其最簡單的狀態下，DBF系統的方塊圖可以參考圖一。每組感測器零件的輸出都被加以放大，轉換成數位化，並且依序安排。將多重的通道以空間化的方式加總，藉以發展出整組影像。

《圖一　典型DBF系統的簡化方塊圖》

比起早期的類比式波束成型系統（ABF）（註：其在轉換之前使用可變延遲線以及類比加總），DBF架構更加受到青睞，這是因為它們往往具有較佳的通道對通道匹配特點，而且具有更多的彈性。一旦接獲了信號，藉由執行像是波束操控（beam steering）以及一致性的信號加總之類的數位化作業，將可以使其品質加強。把數位引擎放置在更靠近超音波感測器的位置，這將使得比以往類比式系統中更精細的調整都能夠達成。DBF是目前最為常用的架構，即使其具有包括高功率消耗（肇因於大量的通道）以及尺寸太大（由於元件數通常必須用來獲取與產生正確的信號）等重大挑戰。

直到最近，大多數的DBF系統都還是由許多的元件，採用分離式解決方案以及多種IC組合而成的。接收（Rx）信號鏈主要是由低雜訊放大器（LNA）（註：做為前置放大器之用）、可變增益放大器（VGA）（註：做為時間增益放大器之用），用以補償透過身體組織當作時間函數（深度的代理功能）之回返信號的衰減、抗鋸齒濾波器（AAF）、以及類比數位轉換器（ADC）所組成。在常用的數位波束成型（DBF）架構當中，需要使用到許多組這些相同的元件。增加通道的數量可以改善動態範圍，只要通道的雜訊是隨機出現或者是無關聯的話。對於高階系統來說，從64到256組通道的範圍是較為常用的，而16至64組通道則較常使用於可攜式、中階、低階超音波系統當中。

為何要推動可攜式裝置？

在許多要求嚴苛的應用中都可以實現能夠提供即時掃描功能的輕量化可攜式精巧裝置的優點。很明顯的，現場緊急醫療服務（EMS）團隊將能夠更快速地處理病患，而且在到達急診室之前就能夠將結果先傳送過去。假如運送路程很遠，醫生可以在等待病患送抵急診室之前先採用遠端診察。在例行性的診所看診當中，一般的開業醫師可以對病患執行掃描，以做為檢查的一部分，而不需要仰賴專門的人員。

可攜性的提高對於處在偏遠區域以及可能缺乏穩定電力的村莊而言，得以利用這些裝置提供更為良好的醫療服務的機會。

獸醫將會發現，對於大型動物以及寵物等的現場診療來說，可攜式超音波裝置會是相當有用的。對於養豬與養牛農場的現場診療也是幫助甚大。

在非破壞性測試以及預防性維護上，超音波也是一個正在成長的市場。舉例來說，包括用以掃描橋樑樑柱、工業機械中的軸承、以及輸油管線等而佈署的系統。檢查的成本可以降低，而且更重要的是時間也可以縮短，這是因為可以避免使用昂貴的設備。在工業廠房中的可攜式掃描設備也相當的重要，其可以用來將潛在的災難性問題在發生之前就先找出來。當然，採用可攜式超音波需要負擔一定的成本，其中包括了取得這些用以診療、掃描與分析的裝置，再加上對於這些新裝置使用者的訓練。但是在大多數的情況下，其所能帶來的好處是遠大過於其成本的。

節省空間、功耗與金錢

本文以ADI專為滿足尺寸精巧需求而設計的基本子系統─14mm×14mm×1.2mm小體積的AD 9273（圖二）為例，說明該系統晶片所需之設計功能。其將所有必要的信號鏈全部整合在一起，以便對八個通道進行資料的擷取，這可以使電路板空間與功耗大幅降低。這使得相較於採用分離元件的解決方案，每個通道的總區域可減少達1/3以上，功率消耗則比使用分離式元件減少達40％以上。在40MSPS下，每個通道只需要消耗100mW。透過串列埠介面設定功能，也具有非常多的客製化選項，可以依據應用裝置而進一步的將功率、雜訊以及可配置性最佳化。

《圖二　AD 9273方塊圖》

在8通道的信號鏈中，每個通道都含有一個低雜訊放大器（LNA）、可變增益放大器（VGA）、抗鋸齒濾波器（AAF），以及類比數位轉換器。在脈衝波（pulsed-wave）模式下，這是經常被使用於處理回返脈衝的接收鏈：B模式掃描用於灰階影像，而F模式則是將色彩覆蓋於B模式的顯示影像上，以便顯示血液流動。在脈衝波模式當中，換能器會在傳送與接收之間切換，以便形成定期更新的二維影像。

另一個影像的常見形式就是連續波（CW）都卜勒，或者稱為D模式，用來顯示血液流動速度以及其頻率。就如同其名稱中所提到的，其影像乃是利用連續產生的信號所生成，而其中有一半的換能器通道是做為發射之用，另外一半則是做為接收之用。CW具有可以精確量測高速血液流動的優點，但是其欠缺傳統脈衝波系統所具有的深度以及穿透力。由於每一種方法都具有其優點與限制，必須依據其應用領域而定，因此現代的超音波系統通常都會採用兩種形式。本文所例舉之元件即可應用於此兩種形式。此外，該元件允許使用者只需要利用整合於內的交叉點開關，即可在連續波都卜勒模式下運作。此交叉點開關讓類似相位的通道可以一致的加總成為群組，以做為相位校準以及加總之用。AD 9273支援使用於低階系統的延遲線，而具有可編程相位調整功能的AD 8339四倍解調變器可以達到最佳的性能，透過相位校準與加總方面可以做更精密的調整，藉以提高影像的精確度。該元件能夠很輕易的連結於外部，讓使用者可以將需要極大動態範圍信號所需的信號鏈製作得更為緊湊。

《圖三　針對12位元ADC的TGC增益需求》

動態範圍以及雜訊需求

由於高頻率的音聲信號會穿透過本體，因此它們會有大約1dB/cm/MHz的衰減。舉例來說，使用8MHz探針以及4cm穿透深度，同時將輸出與回返衰減都納入計算，來自於內部組織的信號振幅變化將會與接近表面的反射（Reference 1）之間出現64dB（或是4×8×2）的差異。增加50dB的影像解析度，並且將由於骨架、纜線以及其它不匹配所造成的損耗都計算進去，預期的動態範圍可以接近119dB。客觀的來看，在12MHz頻寬中具有1.42nV/rt-Hz雜訊層的0.55V全尺度信號所代表的就是92dB的輸入動態範圍。額外的動態範圍可以藉由使用多重通道10×log(N通道)）來加以達成，舉例來說，128個通道可以提高21dB的動態範圍。這將可以為介於100dB至120dB之間的動態範圍建立出一個比較實際的限制。

可實現的動態範圍會受到前端元件的限制。由於並非在每一瞬間都需要完整的動態範圍，因此藉由清除掉VGA的增益，以便在經過一段時間後與接收到的反射之衰減相互匹配（與穿透深度成比例），如此即可使用具有低於完整動態範圍的ADC。這叫做時間增益補償（time-gain compensation；TGC）。LNA會設定能夠對應至ADC當中的等量動態範圍。元件當中若具有一個在12MHz（162.7dB/rt-Hz）頻寬中92dB的等量動態範圍，便使其能夠處理來自於經過掃描之組織的極小與極大信號（回波），如圖三所示。LNA的完整範圍應當要大到足以不會因近場（near-field）信號而使其飽和；此外，雜訊層越低，動態範圍越高。

為了要處理較低的雜訊位準，電源需求必須增加，因此在電源受到限制的可攜式應用裝置當中，某些妥協是必須要做的。注意到表一所展示的解決方案當中，AD 9272以及VGA AD 8332都具有最低的輸入參照雜訊以及最高的輸入動態範圍。沒有一種方案是最理想的。雖然數位化處理是目前所有解決方案的基本特點，但是對於每個超音波生產廠商而言，特定的實現方法以及元件的選擇才是其獨家技術。

結論

對於醫療以及工業應用領域而言，目前正有一股朝向可攜式超音波成長的趨勢。在偏遠地點，所有這類型的系統對尺寸精巧以及 可攜性都有類似的需求。因此元件必須在小巧的IC封裝當中，將可應用之接收信號鏈的8個通道予以結合成為脈衝式與連續波都卜勒系統，才可進而提高可攜性。本文所例舉之AD 927X家族擁有相當多樣化的產品，能夠為許多具有不同電源與雜訊需求的應用裝置提供選項，進而推動超音波的領域朝向未來更進一步的發展。

＜參考資料：

(1) Brunner, Eberhard, “How Ultrasound System Consideration Influence Front-End Component Choice,” Analog Dialogue 36, Part 1 (2002).

(2) Kisslo, Joseph A. and David B. Adams, Principles of Doppler Echocardiography and the Doppler Examination #1, London: Ciba-geigy, 1987

(3) Kuijpers, F. A., “The role of technology in future Medical Imaging,” Medicamundi, 1995, Vol. 40, No. 3, Philips Medical Systems.

(4) Bandes, Alan, “How Are Your Bearings Holding Up? Find Out with Ultrasound,” Sensors Magazine, July, 2006, pp. 24-27.

(5) Meire, Hylton B. and Pat Farrant, Basic Ultrasound, Wiley, 1995, pp. 1-66.＞